S22053雙相不銹鋼耐蝕性能研究

趙 璐

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510000)

20世紀30年代初鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼被開發，70年代末，雙相不銹鋼得到發展與普及。工程中使用的雙相不銹鋼為a+r組織，常以奧氏體為基，并含有不少于30%的鐵素體，最常見的組織為兩項組織體積約各占50%，因此結合了奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特性，其抗點蝕、應力腐蝕、縫隙腐蝕等性能明顯優于普通不銹鋼，但是，雙相不銹鋼仍有高鉻鐵素體不銹鋼的脆性傾向，不宜在高于300℃的工況下使用。S22053雙相不銹鋼是第二代新型含氮雙相不銹鋼, 由22%鉻、3%鉬和7%鎳等主要元素構成，強度高且耐蝕能力強，在石油化工行業應用非常廣泛。本文對S22503的耐蝕性能進行分析論述。

根據GBT20878-2007《不銹鋼及耐熱鋼 牌號及化學成分》的要求，S22053的化學成分為C：0.03%，Si：1.0%，Mn：2.0%，P：0.03%，S：0.02%，Ni：4.5%～6.5%，Cr：22.0%～23.0%，Mo：3.0%～3.5%，N：0.14%～0.2%。

1 S22053在高硫、高酸煉油裝置中的應用

根據SH/T3096-2012《高硫原油加工裝置設備和管道設計選材導則》以及SH/T3129-2012《高酸原油加工裝置設備和管道設計選材導則》，歸納出S22053的應用(見表1)。

表1 高硫、高酸原油裝置S22053的應用

可以看出S22053主要應用為空冷器和換熱器的管箱以及換熱管。

2 S22053的耐蝕性能

下面以山特維克雙相不銹鋼實驗數據為例，來分析S22053雙相不銹鋼的耐蝕性能，其化學成分 (%)見表2，其化學成分符合GBT20878-2007要求。

表2 山特維克雙相不銹鋼化學成分 %

2.1 均勻腐蝕

以下圖1～圖3為SAF2205和316L在不同腐蝕溶液中的腐蝕曲線。由圖1可以看出SAF2205在50%醋酸與不同比例的甲酸的沸騰混合液中SAF2205的腐蝕速率小于0.15mm/year。根據不銹鋼耐蝕的十級標準，在醋酸濃度低于20%時，腐蝕率小于0.1mm/year，屬于耐蝕；在醋酸濃度在20%～25%時屬于尚耐蝕。圖2和圖3為SAF2205在不同濃度硫酸和鹽酸溶液中腐蝕速度為0.1mm/year時的臨界溫度，可以看出SAF2205的耐蝕性優于316L。

圖1 在50%醋酸與不同比例的甲酸的沸騰混合液中SAF2205的腐蝕速率

腐蝕時間:1+2+3天

圖2 SAF2205在硫酸中的均勻腐蝕曲線(0.1mm/a，4mpy)

圖3 SAF2205在鹽酸中的均勻腐蝕曲線(0.1mm/a，4mpy)

2.2 點蝕和縫隙腐蝕

點腐蝕和縫隙腐蝕是兩種緊密相關的腐蝕類型，均屬于局部腐蝕。點蝕是一種很危險的局部腐蝕，多發生在含有氯、溴、碘等水溶液中，產生小孔然后急劇進行腐蝕的現象，嚴重時會穿透鋼板。當不銹鋼處于含氯環境中時，在一定溫度下就會發生點腐蝕。鉻、 和氮對抵抗局部腐蝕能力的綜合影響，經常用經驗公式WS(Wirksumme)來表示，PRE值的高低可以用來預測合金在含氯化物環境中的耐腐蝕性能。

WS(PRE)=Cr%+3.3%Mo+16%N。

公式所給出的氮系數16是最經常使用的。但據文獻報道也有采用其它系數的，比如Mannesmann研究院的Herbsleb博士就建議使用30。由此公式可以算出GBT20878-2007規定化學成分的S22053PRE為33.24～37.75，而S31603為22.6～27.9。

2.3 應力腐蝕開裂

圖4 SAF2205在含氧中性氯化物溶液中的耐SCC能力

304L和316L標準奧氏體不銹鋼在60℃以上含氯溶液中有應力腐蝕開裂(SCC)傾向。雙相不銹鋼對這種類型的腐蝕不敏感。實際應用和實驗結果都表明雙相不銹鋼有良好的耐應力腐蝕開裂的性能。圖4為施加與屈服強度相同應力的情況下，經過1000小時，測得的發生SCC的極限溫度，曲線以下表示不會發生開裂。圖5為在氯化鈣溶液中的恒載應力腐蝕試驗，可以看出，SAF2205較316L有更高的抗SCC能力。

圖5 SAF2205在100℃，pH=1.5，40%CaCl2溶液的恒載應力腐蝕試驗結果

3 S22053的耐蝕機理

對于不銹鋼的研究表明，不銹鋼之所以不銹是因為其在自然環境下有自鈍化能力，表面生成一層鈍化膜，能夠阻止外界的氧原子或氫離子向金屬基體擴散，使金屬基體得到保護，不銹鋼中組織和元素分布越均勻，鈍化膜越均勻和穩定，耐點蝕性能越好。關于鈍化膜的理論根據為：(1)鈍化膜為雙分子層膜，外層膜由一些沉積物構成，并且在金屬鄰近處有一雜亂的勢壘，這可能會導致溶液中陽離子與陰離子的結合。(2)穩定狀態下勢壘層的厚度隨著平均穩定態電流的改變而改變，并與外加電位成線性關系，但與鈍化區內膜中陽離子氧化鈦的改變無關。(3)勢壘層的合金元素的隔離與金屬相中勢壘的生長互相作用。

氯離子與雙相鋼鈍化膜的穩定性有著密切的關系。當溶液中存在氯離子時，氯離子會吸附在材料的表面或者部分參與鈍化膜的形成，從而影響鈍化膜的穩定性，導致點蝕的發生。圖6為S22053在三種不同濃度NaCl溶液中的極化曲線。可以得出S22053在三種濃度NaCl溶液中的鈍化區。可以看出較高的點蝕點位使得S22053具有優良的耐蝕性能。

圖6 SAF2205分別在0.1%，1.0%和3.5%NaCl溶液中的極化曲線

4 影響S22053的耐蝕性能的因素

4.1 σ 相S22052耐蝕性的影響

圖7 σ 相析出動力學TTT曲線

4.2 固溶和酸洗處理對S22053抗點蝕性能的影響

雙相不銹鋼經熱處理和焊接極易析出第三相：σ 相、a相、r相以及碳化物、氮化物等，其中σ 相的析出速度最快，形成時間最短，因此σ 相是雙相不銹鋼中危害最大的一種析出相。σ 相是一種金屬間化合物，基本為Fe-Cr-Mo，屬于體心正方晶系，硬度高達900～1000HV，鋼中出現少量的σ 相就會使鋼的韌性和塑性急劇下降。另外，σ 相的析出會導致周圍貧鉻、鉬，降低鋼的抗蝕性。因此，σ 相可以說是鋼在熱加工過程中盡量避免其存在的一種有害相。大量研究認為，σ 相一般在650～950℃之間析出，850～900℃之間析出速率最快 ，圖7為σ 相析出動力學曲線。其析出機理主要是共析轉變，即a→σ+r2。σ 相最初在鐵素體與奧氏體的界面處形核，然后向鐵素內伸展并聚集成塊，隨著時效時間延長，a相減少，r相增多，原來的a相幾乎全部分解為σ+r2，σ 相沿a/r晶界成網狀分布，連續的網狀能導致材料急劇脆化。此外，兩相比例的變化也影響了鋼材的點蝕點位，形成電偶腐蝕。

盡管S22053雙相不銹鋼具有優良的耐蝕性能，但是不同的熱處理工藝會形成不同的a、r相的比例，不當的熱處理溫度還會形成有害析出相。

4.2.1 不同溫度固溶處理顯微組織分析

圖8為S22053鋼板在950℃，1050℃和1150℃固溶處理后的顯微組織。白色相為奧氏體相(r相)，灰色相為鐵素體相(a相)。可以看出，經950℃固溶處理后，有黑色的球狀析出相；經1050℃固溶處理后，a相和r相相間分布，條狀組織規則、均勻且細化；經1150℃固溶處理后，r相以近似球狀均勻分布于a相機體上，a相含量明顯高于r相，兩相比例不均勻。

圖8 a)熱軋態；b)950℃固溶；c) 1050℃固溶；d)1150℃固溶

4.2.2 不同溫度固溶處理耐點蝕性能分析

表3為S22053雙相鋼經不同溫度固溶處理后的點蝕試驗結果。可以看出在1050℃固溶處理后的點蝕速率最低。

表3 S22053雙相鋼經不同溫度固溶處理后的點蝕試驗

4.2.3 酸洗處理的作用

酸洗的主要目的是除去不銹鋼經高溫作業( 如熱處理、焊接、鍛造、鑄造等) 產生的氧化膜, 近表貧鉻層，露出不銹鋼原始表面。不銹鋼酸洗配方雖然不少, 但使用時一定要小心謹慎。對于不同的不銹鋼制品要選用各自合適的配方, 必要時應在酸洗前進行小樣試驗, 效果好再投產。這樣才能保證酸洗質量, 避免發生點蝕等缺陷。有耐腐蝕性要求的不銹鋼, 酸洗后必須仔細鈍化、中和, 以確保質量。

值得注意的是，有試驗證明酸洗和固溶處理的綜合效果十分顯著，抗點蝕能力優秀。

5 小結

(1) S22053在不同的酸性溶液中的耐蝕性能優于S31603,抗點蝕系數PRE也大于S31603，說明其耐蝕性高于普通奧氏體不銹鋼。

(2) σ相為S22053雙相鋼中的有害相，組織中不允許存在σ相。

(3) 熱處理工藝和溫度對S22053雙相不銹鋼的影響較大，建議固溶溫度取1050～1100℃，保溫結束后快速冷卻。